[论文解读] Polarization effects in metallic films perforated with a bidimensional array of subwavelength rectangular holes

Michaël Sarrazin, J. P. Vigneron|CERN Bulletin|Nov 4, 2003

Optical Coatings and Gratings被引用 3

一句话总结

该论文表明，与圆形孔相比，具有亚波长矩形孔二维阵列的金属薄膜表现出偏振依赖的零阶透射，这是由于对表面等离子体的各向异性耦合所致。这种效应源于孔洞几何形状的非对称性，破坏了旋转对称性，从而使该结构能够作为具有增强透射的宽带偏振器，为集成光学中的等离子体偏振器提供了新平台。

ABSTRACT

For several years, periodical arrays of subwavelength cylindrical holes in thin metallic layers have taken a crucial importance in the context of the results reported by Ebbesen et al, on particularly attractive optical transmission experiments. It had been underlined that the zeroth order transmission pattern does not depend on the polarization of the incident light at normal incidence. In the present paper, we show that it is not the case for rectangular holes, by contrast to the case of circular holes. In this context, we suggest a new kind of polarizer that present the advantages brought by the original Ebbesen devices. Assuming the recent technological interest for these kinds of metallic gratings, such a kind of polarizer could lead to new technological applications.

研究动机与目标

• 研究具有亚波长矩形孔阵列的金属薄膜中的偏振依赖光学透射特性。
• 确定零阶透射图案是否依赖于入射光的偏振态，与圆形孔阵列进行对比。
• 通过利用表面等离子体共振和各向异性衍射，探索此类结构作为高效宽带偏振器的潜力。
• 为设计具有增强透射和偏振控制能力的等离子体偏振器提供理论基础。

提出的方法

• 使用耦合模方法结合散射矩阵（S-矩阵）形式化求解周期性结构中的麦克斯韦方程组的数值模拟。
• 通过傅里叶级数展开表示横向（x, y）方向的介电常数和电磁场。
• 将系统建模为沿z轴方向的薄层堆叠，利用S-矩阵进行传播与组合，以计算总透射和反射振幅。
• 计算不同入射角和波长下s-和p-偏振光的透射振幅。
• 在1000–1500 nm波长范围内使用实验测得的铬和熔融石英基底的介电常数。
• 通过与成熟方法（如FDTD、KKR）对比验证结果，仅使用25个倒格矢量即实现收敛。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过亚波长矩形孔二维阵列的零阶透射是否依赖于入射光的偏振态？
• RQ2 与圆形孔相比，矩形孔的各向异性几何结构如何影响表面等离子体耦合及透射特性？
• RQ3 此类结构是否可在保持Ebbesen型器件高透射特性的前提下，作为高效偏振器使用？
• RQ4 x-和y-偏振透射分量之间的相位差（去相位）在决定透射光束的偏振态中起什么作用？
• RQ5 透射振幅和偏振态如何随入射角和波长变化？

主要发现

• 与圆形孔阵列在正入射下透射对偏振不敏感不同，矩形孔阵列的零阶透射具有偏振依赖性。
• 当偏振方向与矩形孔长轴对齐时（例如θ = 60°），透射率高于与短轴对齐时（θ = 30°），在1300 nm波长处观察到20%的透射率提升。
• 在中间入射角（例如θ = 45°）下，透射场表现出椭圆偏振，表明x-和y-偏振分量之间存在相位差。
• 透射x-和y-分量之间的去相位δ随波长和入射角变化，在表面等离子体共振波长附近达到峰值，尽管该依赖关系未被简单模型明确捕捉。
• 数值结果与基于非对称耦合的简单解析模型定性一致，尽管其背后涉及多散射和表面等离子体贡献的复杂性。
• 该系统支持高透射率并具备偏振过滤能力，表明其在高性能等离子体偏振器中具有应用潜力。